永磁同步電動機弱磁控制分析

(1佳木斯防爆電機研究所，黑龍江佳木斯 154005;2佳木斯大學，黑龍江佳木斯 154003)

0 引言

電機是以電能和機械能相互轉(zhuǎn)換的電力機械，永磁電機就是世界上產(chǎn)生的第一臺電機，與其它結(jié)構(gòu)形式的電機相比，永磁同步電動機具有運行可靠、效率高、輸出轉(zhuǎn)矩高、功率密度高等優(yōu)點，因此已經(jīng)被廣泛應用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、航空航天和石油化工等領域[1]。

它的伺服控制系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)子位置檢測、直流母線電壓檢測、電樞電流檢測，并進行計算，然后對電機進行控制。因此永磁同步電動機具有應速度快、振動小、精度高等特點，但是, 永磁同步電動機的轉(zhuǎn)子磁場是由永磁材料所產(chǎn)生, 磁場是恒定的 ,勵磁強度不可調(diào)節(jié), 因此，隨著轉(zhuǎn)速升高,電機端電壓上升，當端電壓達到供電電壓的極限時，為了進一步提高轉(zhuǎn)速，擴展永磁同步電機的速度范圍，需要對永磁同步電動機進行弱磁控制。

1 永磁同步電動機結(jié)構(gòu)及其特點

依據(jù)轉(zhuǎn)子上永磁鐵的位置，永磁同步電動機分為表面式和內(nèi)置式[2]，如圖1所示，為表面式永磁電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，分為表貼式和嵌入式。如圖2為內(nèi)置式永磁電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，分為徑向式和切向式。

圖1表面式永磁電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)[3]

圖2內(nèi)置式永磁電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)[3]

表貼式永磁電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，因轉(zhuǎn)子永磁材料磁導率和氣隙磁導率大小相近，氣隙均勻且較大，其d軸和q軸電感相等，所以，表貼式轉(zhuǎn)子不具有凸極效應，不產(chǎn)生磁阻轉(zhuǎn)矩。永磁材料直接暴露在氣隙磁場中，易發(fā)生退磁，因此弱磁能力受到限制，但能夠把轉(zhuǎn)矩脈動控制到很低，所以適合用于低速、大轉(zhuǎn)矩的直接驅(qū)動系統(tǒng)。表面嵌入式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和內(nèi)置式永磁電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，由于q軸電感大于d軸電感，所以具有凸極效應，有磁阻轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生，利用磁阻轉(zhuǎn)矩可以有效提高電動機的功率密度，另外，由于永磁材料在轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)部，使得結(jié)構(gòu)更加牢固，增加了電機的安全性，但是漏磁通均大于表貼式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，制造工藝較為復雜，制造成本有所增加，適合用于對電機調(diào)速范圍、效率較高的高速驅(qū)動領域 。

2 數(shù)學模型及弱磁控制理論

為了便于分析，假設定子繞組三相對稱并且完全相同，相差 120°，磁路是線性的，永磁體在氣隙空間中產(chǎn)生的磁勢為正弦波分布，無高次諧波，在三相靜止ABC坐標系中，可以得到定子電壓方程如下

(1)

式中，uA，uB，uC—三相繞組相電壓；Ra—每相繞組電阻；iA，iB，iC—三相繞組相電流；λA，λB，λC—三相繞組的磁鏈。

磁鏈方程如下

(2)

式中，LAA，LBB，LCC—每相繞組自感；MAB，MAC，MBB，MBC，MCB，MCC—兩相繞組互感；λmA，λmB，λmC—轉(zhuǎn)子每極永磁磁鏈。

由式(1)、式(2)可得可得dq坐標系下電壓方程

(3)

式中，ud，uq—d軸和q軸等效電壓；ωr—轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)電角速度；Ld、Lq—d軸和q軸等效電感λd和λq分別為d軸和q軸等效磁鏈；id、iq—d軸和q軸等效電流；λPM—永磁體磁鏈幅值。

3 弱磁控制策略分析

3.1 電壓電流的極限橢圓限制

弱磁控制的核心就是根據(jù)轉(zhuǎn)速的變化得到合適的定子電流分量id、iq， 這 2 個控制量的準確程度和快慢直接決定了整個控制系統(tǒng)的性能。永磁電機運行時，電流Ia和電壓Ua需滿足下列方程

(6)

將式(3)帶入式(6)中的電壓方程，可得

(7)

對表貼式永磁電機，Ld=Lq，所以在平面內(nèi)其軌跡是圓，對嵌入式和內(nèi)置式永磁電機，Ld≠Lq，其軌跡是橢圓。增加速度，電壓限制圓會逐漸縮小。

電機的端電壓與電機轉(zhuǎn)速成正比，當電機轉(zhuǎn)速達到額定轉(zhuǎn)速時，電機端電壓也達到極限電壓時，此時恒功率條件下，為達到電動機能運行于更高的轉(zhuǎn)速，應降低勵磁電流，以保證電壓平衡。也就是說，電動機可通過降低勵磁電流達到擴速目的。

如圖3為電壓電流的極限橢圓，定子電流矢量Ia一定要落在電流和電壓極限橢圓圍成的區(qū)域A、B、C、D、E、F內(nèi)。

圖3電壓電流的極限橢圓

3.2 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的永磁同步電動機弱磁控制分析

永磁同步電動機采用的是永磁體，因而只能通過定子電流進行調(diào)節(jié)，即需要將定子直軸去磁電流分量增加，同時為了使電樞電流不超過電流極限值，則交軸電流分量就應該相對應的進行減小。前者增加與直軸的電感相關，后者減少也與交軸的電感有關。

在結(jié)構(gòu)方面，表貼式和嵌入式為傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，由于轉(zhuǎn)子的永磁體磁阻率與空氣大小相近，其等效氣隙很大，直軸的電抗很小，因此在正常電壓條件下，直軸電流不可能很大，所以無法得到合適的弱磁效果。因此需要尋找合適的結(jié)構(gòu)，以滿足要求的弱磁運行能力。

3.3 混合式永磁同步電機弱磁控制策略分析

混合式永磁同步電機由硅鋼沖片和對稱分布的相繞組構(gòu)成，圓筒形永磁體磁鋼沿轉(zhuǎn)子軸向分布，外面是兩塊互相錯開的軟鐵磁軛，數(shù)學模型與控制方法與傳統(tǒng)永磁同步電機類似，如圖4所示。

圖4混合式永磁同步電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)[4]

混合式永磁同步電機的氣隙較小，相同氣隙磁密的條件下，永磁體的磁勢較小，可以有效的削弱勵磁磁勢，氣隙小直軸電感大，短路電流也較小，直軸去磁電流產(chǎn)生的電 壓可有效抵消反電勢。

對比型號D200型傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)永磁同步電機與HPM型混合式永磁同步電機，混合式永磁同步電機采用采用基于電流負向控制的附加電壓閉環(huán)方法，試驗結(jié)果表明，混合式永磁同步電機的弱磁擴速倍數(shù)約是傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)永磁同步電機的2.63倍，同時發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)永磁同步電機直軸電流id已經(jīng)到達電流極限，但遠小于短路電流，弱磁控制能力受限。

4 結(jié)語

與表貼式和內(nèi)置式的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，混合式永磁同步電動機可以有效提升永磁同步電機弱磁性能。由此可見,尋找一種高弱磁擴速能力的新型電機結(jié)構(gòu)和控制方法 ,是當今研究的熱門。